CN108568567A - 一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋锥齿轮加工方法，具体涉及一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法。本发明通过齿面离散点计算、齿轮实体建模、球头铣刀直径确定、刀具路径创建、齿面加工参数计算和齿面加工过程步骤，可在通用四轴数控铣床上完成各类螺旋锥齿轮加工，无需购置昂贵的专用机床和铣刀盘，相比于铣刀盘加工出的齿轮过渡曲面，具有更大的曲率半径，可提高齿轮的弯曲疲劳强度。相比铣刀盘加工齿轮时的单侧悬臂布置方式，本发明采用的卡盘和尾座顶尖的两端支撑方式具有更好的刚性，可减少切削力导致的变形，从而提高了齿面的加工精度。

Description

一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工 方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋锥齿轮加工方法，具体涉及一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法。

背景技术

螺旋锥齿轮是用于传递相交轴或相错轴之间运动的传动部件，具有重合度大、传动平稳、承载能力强等优点。螺旋锥齿轮一般采用铣刀盘在专用机床上进行加工，该方法在大批量生产时具有较高的生产效率，但在加工大直径和单件小批量螺旋锥齿轮时，由于专用机床的购置成本较高和铣刀盘制备困难，导致加工成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：根据空间曲面的铣削方法，提供一种相比于专用机床和铣刀盘，通用数控铣床和球头铣刀价格低廉，具有较好的加工经济性的基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法。

本发明的技术方案是：

一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

一、齿面离散点计算

1）、为了使齿面离散点均匀分布在齿面上，在轴截面上进行离散点规划；

2）、将齿顶线和齿根线等分为个点，将这些等分点相连得到多条齿高线；齿高线上共轭齿面和过渡曲面的分界点由直线刀刃上靠近齿根的边缘切出，

3）、确定分界点后，将齿高线上共轭齿面部分和过渡曲面部分分别均分为和个点，

4）、完成轴截面离散点规划后，以旋转投影的方法，求解得到共轭齿面和过渡曲面上的离散点坐标；

二、齿轮实体建模

在ABAQUS软件中，依据离散点创建沿齿长方向均匀分布的多个单齿截面，经放样操作得到单齿实体模型，再经旋转阵列得到齿轮实体模型；

三、球头铣刀直径确定

球头铣刀直径可通过螺旋锥齿轮的共轭齿面或过渡曲面进行确定；在螺旋锥齿轮单个齿槽范围内，过渡曲面的曲率半径最小，采用过渡曲面对球头铣刀直径进行确定，若要保证球头铣刀加工出的螺旋锥齿轮过渡曲面形状与铣刀盘加工出的形状相同，因此，必须选择直径偏小的球头铣刀刀具，而球头铣刀刀具直径偏小后，势必会导致刀具的刚性较差；

铣刀盘加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面同时切出，不可分割，而球头铣刀加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面分别切出，由于过渡曲面不参与啮合，因此可采用共轭齿面确定刀具直径，从而切出新的过渡曲面形状；以共轭齿面确定刀具直径时，可选择直径偏大的球头铣刀刀具，刀具直径的偏大其刚性则相对较好；选择直径偏大的球头铣刀刀具时，约束条件为加工一侧共轭齿面靠近齿根的边缘时不刮伤对侧齿面为准，；亦可在所建的齿轮实体模型上将共轭齿面凸面和凹面沿法向向外延伸一个粗切余量的距离，形成的等距曲面为凸面和凹面粗切余量面，以使粗加工时球头铣刀与粗切余量面相切。球头铣刀加工螺旋锥齿轮时，加工出的过渡曲面相比于铣刀盘加工出的过渡曲面，具有更大的曲率半径，可提高齿轮的弯曲疲劳强度。

四、刀具路径创建

为了避免加工时发生刀杆干涉，需要确定合适的刀轴方向；在所建的齿轮实体模型上相同的凸面和凹面齿高线上的离散点上，从小端到大端标注数序号，以在加工时保持同一刀轴方向；当序号改变时，刀轴方向随之改变。凸面和凹面齿高线上离散点加工时，刀轴方向与齿轮轴线垂直，以使四轴机床即可满足刀具与齿轮的空间位置关系，无需更昂贵的五轴机床。由于靠近齿根的边缘点最容易发生刀杆干涉，使刀具末端圆球保持在加工凸面边缘点的位置上不动，绕齿轮轴线旋转刀杆，直至与凸面发生接触，可确定凸面齿根刀轴极限位置，同理还可确定凹面齿根刀轴极限位置，取两极限位置的角度等分位置为刀轴方向；

粗加工时，球头铣刀沿齿高方向分层切削，在一个齿高分层中，刀具在凸面和凹面间做往复直线运动，编号为奇数的齿高分层，刀具从齿轮小端加工到大端，编号为偶数的齿高分层，刀具从齿轮大端加工到小端。

精加工时，球头铣刀沿齿长方向分层切削，在编号为奇数的齿长分层中，刀具依次加工凸面齿顶、凸面齿根、凹面齿根和凹面齿顶。在编号为偶数的齿长分层中，刀具依次加工凹面齿顶、凹面齿根、凸面齿根和凸面齿顶。

五、齿面加工参数计算

依据粗加工刀路和刀轴方向，采用坐标空间变换方法,计算机床X、Y、Z轴的位移和A轴的转角。规定齿轮的轴向与机床的X轴同向，设在机床各轴运动零位时，球头铣刀的球心与齿轮坐标系原点重合，设在齿轮坐标系中粗加工刀路上任意一点P的坐标为，P点刀轴方向为，设A轴转角为，在机床坐标系中满足如下关系：

A轴的转角可由上式解出，加工时球头铣刀球心与P点重合，设X、Y、Z轴的位移为，在机床坐标中满足如下关系：

X、Y、Z轴的位移可由上式解出。X、Y、Z和A轴的加工参数和确定后，创建单个齿槽加工的数控代码。依据齿数对单个齿槽加工的数控代码进行旋转阵列，创建全部齿槽加工的数控代码。

六、齿面加工过程

将圆柱毛坯通过卡盘安装在通用四轴数控机床的A轴上，并用尾座顶尖紧固，相比于铣刀盘加工齿轮时的单侧悬臂布置方式，这种卡盘和尾座顶尖的两端支撑方式具有更好的刚性，可减少切削力导致的变形，从而提高齿面的加工精度。

由于轮坯是旋转体，可采用Ｘ、Z和A轴联动进行轮坯铣削加工，轮坯粗加工采用沿径向分层铣削的模式，加工时需设置层高和粗切余量。在轮坯粗加工的基础上进行轮坯精加工，轮坯精加工完成后；将单个齿槽粗加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽加工。齿槽粗加工进度50%时，粗切加工出的齿面较粗糙，具有明显的齿长方向刀痕。将单个齿槽精加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽精加工。精加工进度50%时，精加工表面齿长方向刀痕消失，表面光滑。由球头铣刀加工出的齿面形状和铣刀盘加工出的齿面形状在共轭齿面部分是一致的。在过渡曲面部分，相比于铣刀盘，球头铣刀加工出的形状具有更大的曲率半径，可降低齿根处的应力集中程度，从而使齿轮具有更高的弯曲疲劳强度。

本发明的有益效果在于：

该基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法，在通用四轴数控铣床上加装球头铣刀可完成各类螺旋锥齿轮加工，无需购置昂贵的专用机床和铣刀盘，生产准备成本低。本发明通过在齿长和齿高方向上规划球头铣刀的粗加工和精加工刀路并控制刀轴方向，可加工出几何误差和表面粗糙度满足要求的齿面轮廓，且刀具与齿轮的不会发生几何干涉碰撞。本发明粗加工和精加工在一次装夹中完成，缩短了工件和刀具的装夹和对刀时间。采用本发明加工出的齿轮过渡曲面，相比于铣刀盘加工出的过渡曲面，具有更大的曲率半径，可提高齿轮的弯曲疲劳强度。相比铣刀盘加工齿轮时的单侧悬臂布置方式，本发明采用的卡盘和尾座顶尖的两端支撑方式具有更好的刚性，可减少切削力导致的变形，从而提高了齿面的加工精度。

附图说明

图1为本发明的齿轮轴截面离散点规划示意图；

图2为本发明的基于齿面离散点的实体模型示意图；

图3为本发明以过渡曲面确定刀具直径的示意图；

图4为本发明以共轭齿面确定刀具直径的示意图；

图5为本发明的齿轮和铣刀球头在齿根处的空间位置关系示意图；

图6为本发明的刀轴方向确定的示意图；

图7为本发明的粗加工刀路走向示意图；

图8为本发明的精加工刀路走向示意图；

图9为本发明的轮坯与机床的安装关系示意图；

图10为本发明的齿槽粗加工过程（进度50%）示意图；

图11为本发明的齿槽精加工过程（进度50%）示意图；

图12为本发明的齿面小端形状比较示意图；

图13为本发明的齿面大端形状比较示意图。

具体实施方式

该基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法，包括以下步骤：

螺旋锥齿轮根据齿线形状分为格里森制和奥里康制，以格里森制螺旋锥齿轮为例进行说明。铣刀盘在加工齿轮时，直线刀刃切出共轭齿面，刀尖圆角切出过渡曲面，根据铣刀盘的几何参数可确定直线刀刃和刀尖圆角的数学方程，再根据机床调整参数可推导出共轭齿面和过渡曲面的数学模型，进而可求解齿面离散点。为了使齿面离散点均匀分布在齿面上，在轴截面上进行离散点规划，先将齿顶线和齿根线等分为个点，将这些等分点相连得到多条齿高线。齿高线上共轭齿面和过渡曲面的分界点由直线刀刃上靠近齿根的边缘切出，确定分界点后，将齿高线上共轭齿面部分和过渡曲面部分分别均分为和个点。完成轴截面离散点规划后，以旋转投影的方法，求解得到共轭齿面和过渡曲面上的离散点坐标（参见附图1）。

在ABAQUS软件中，依据离散点创建沿齿长方向均匀分布的多个单齿截面，经放样操作得到单齿实体模型，再经旋转阵列得到齿轮实体模型（参见附图2）。

球头铣刀直径可通过螺旋锥齿轮的共轭齿面或过渡曲面进行确定；在螺旋锥齿轮单个齿槽范围内，过渡曲面的曲率半径最小，采用过渡曲面对球头铣刀直径进行确定，若要保证球头铣刀加工出的螺旋锥齿轮过渡曲面形状与铣刀盘加工出的形状相同，因此，必须选择直径偏小的球头铣刀刀具，而球头铣刀刀具直径偏小后，势必会导致刀具的刚性较差（参见附图3）；

铣刀盘加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面同时切出，不可分割，而球头铣刀加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面分别切出，由于过渡曲面不参与啮合，因此可采用共轭齿面确定刀具直径，从而切出新的过渡曲面形状；以共轭齿面确定刀具直径时，可选择直径偏大的球头铣刀刀具，刀具直径的偏大其刚性则相对较好；选择直径偏大的球头铣刀刀具时，约束条件为加工一侧共轭齿面靠近齿根的边缘时不刮伤对侧齿面为准，（参见附图4）；亦可在所建的齿轮实体模型上将共轭齿面凸面和凹面沿法向向外延伸一个粗切余量的距离，形成的等距曲面为凸面和凹面粗切余量面，以使粗加工时球头铣刀与粗切余量面相切，（参见附图5）。球头铣刀加工螺旋锥齿轮时，加工出的过渡曲面相比于铣刀盘加工出的过渡曲面，具有更大的曲率半径，可提高齿轮的弯曲疲劳强度。

设从小端到大端第条齿高线上，从齿顶到齿根第个凸面共轭齿面点对应的径矢和单位法矢为和，凹面共轭齿面点对应的径矢和单位法矢为和，单位法矢方向由实体指向空域。设加工凸面和凹面球头铣刀的球心径矢为和，球头铣刀直径为，根据球头铣刀与粗切余量面相切可知：

暂时不考虑刀杆的影响，当刀具末端圆球与凸面（凹面）粗切余量面在靠近齿根的边缘相切时，不能与凹面（凸面）粗切余量面发生接触，由此可确定单个位置的圆球直径，取所有位置圆球直径的最小值即为球头铣刀直径。

为了避免加工时发生刀杆干涉，需要确定合适的刀轴方向；在所建的齿轮实体模型上相同的凸面和凹面齿高线上的离散点上，从小端到大端标注数序号，以在加工时保持同一刀轴方向；当序号改变时，刀轴方向随之改变。凸面和凹面齿高线上离散点加工时，刀轴方向与齿轮轴线垂直，以使四轴机床即满足刀具与齿轮的空间位置关系，无需更昂贵的五轴机床。由于靠近齿根的边缘点最容易发生刀杆干涉，使刀具末端圆球保持在加工凸面边缘点的位置上不动，绕齿轮轴线旋转刀杆，直至与凸面发生接触，可确定凸面齿根刀轴极限位置，同理还可确定凹面齿根刀轴极限位置，取两极限位置的角度等分位置为刀轴方向（参见附图6）。

粗加工时，球头铣刀沿齿高方向分层切削，在一个齿高分层中，刀具在凸面和凹面间做往复直线运动，编号为奇数的齿高分层，刀具从齿轮小端加工到大端，编号为偶数的齿高分层，刀具从齿轮大端加工到小端。以第1层为例，刀具球心依次通过（参见附图7）；设精加工时凸面和凹面球头铣刀的球心径矢为和，根据球头铣刀与齿面相切有：

精加工时，球头铣刀沿齿长方向分层切削，在编号为奇数的齿长分层中，刀具依次加工凸面齿顶、凸面齿根、凹面齿根和凹面齿顶。在编号为偶数的齿长分层中，刀具依次加工凹面齿顶、凹面齿根、凸面齿根和凸面齿顶。以第1层为例，刀具球心依次通过（参见附图8）。

依据粗加工刀路和刀轴方向，采用坐标空间变换方法,计算机床X、Y、Z轴的位移和A轴的转角。规定齿轮的轴向与机床的X轴同向，设在机床各轴运动零位时，球头铣刀的球心与齿轮坐标系原点重合，设在齿轮坐标系中粗加工刀路上任意一点P的坐标为，P点刀轴方向为，设A轴转角为，在机床坐标系中满足如下关系:

A轴的转角可由上式解出，加工时球头铣刀球心与P点重合，设X、Y、Z轴的位移为，在机床坐标中满足如下关系

X、Y、Z轴的位移可由上式解出。X、Y、Z和A轴的加工参数和确定后，创建单个齿槽加工的数控代码。依据齿数对单个齿槽加工的数控代码进行旋转阵列，创建全部齿槽加工的数控代码。

将圆柱毛坯通过卡盘安装在通用四轴数控机床的A轴上，并用尾座顶尖紧固，相比于铣刀盘加工齿轮时的单侧悬臂布置方式，这种卡盘和尾座顶尖的两端支撑方式具有更好的刚性，可减少切削力导致的变形，从而提高齿面的加工精度。由于轮坯是旋转体，可采用、Z和A轴联动进行轮坯铣削加工，轮坯粗加工采用沿径向分层铣削的模式，加工时需设置层高和粗切余量。在轮坯粗加工的基础上进行轮坯精加工，精加工完成后的轮坯如图9所示。轮坯精加工完成后，将单个齿槽粗加工的数控代码输入机床的数控系统，可进行单个齿槽加工。齿槽粗加工进度50%时，齿面情况如图10所示。粗切加工出的齿面较粗糙，具有明显的齿长方向刀痕。将单个齿槽精加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽精加工。精加工进度50%时，齿面情况如图11所示。精加工表面齿长方向刀痕消失，表面光滑。由球头铣刀加工出的齿面形状在小端和大端如图12—13所示，在图中画出铣刀盘加工出的齿面小端和大端轮廓线。通过比较可知，球头铣刀和铣刀盘加工出的齿面形状在共轭齿面部分是一致的。在过渡曲面部分，相比于铣刀盘，球头铣刀加工出的形状具有更大的曲率半径，可降低齿根处的应力集中程度，从而使齿轮具有更高的弯曲疲劳强度。

Claims (1)

1.一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

一、齿面离散点计算：

1）、为了使齿面离散点均匀分布在齿面上，在轴截面上进行离散点规划；

2）、将齿顶线和齿根线等分为个点，将这些等分点相连得到多条齿高线；齿高线上共轭齿面和过渡曲面的分界点由直线刀刃上靠近齿根的边缘切出；

3）、确定分界点后，将齿高线上共轭齿面部分和过渡曲面部分分别均分为和个点；

4）、完成轴截面离散点规划后，以旋转投影的方法，求解得到共轭齿面和过渡曲面上的离散点坐标；

二、齿轮实体建模：

在ABAQUS软件中，依据离散点创建沿齿长方向均匀分布的多个单齿截面，经放样操作得到单齿实体模型，再经旋转阵列得到齿轮实体模型；

三、球头铣刀直径确定：

铣刀盘加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面同时切出，不可分割，而球头铣刀加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面分别切出，由于过渡曲面不参与啮合，因此可采用共轭齿面确定刀具直径，从而切出新的过渡曲面形状；以共轭齿面确定刀具直径时，可选择直径偏大的球头铣刀刀具，选择直径偏大的球头铣刀刀具时，约束条件为加工一侧共轭齿面靠近齿根的边缘时不刮伤对侧齿面为准；

四、刀具路径创建：

在所建的齿轮实体模型上相同的凸面和凹面齿高线上的离散点上，从小端到大端标注数序号，以在加工时保持同一刀轴方向；当序号改变时，刀轴方向随之改变；凸面和凹面齿高线上离散点加工时，刀轴方向与齿轮轴线垂直，以使四轴机床即可满足刀具与齿轮的空间位置关系，无需更昂贵的五轴机床；由于靠近齿根的边缘点最容易发生刀杆干涉，使刀具末端圆球保持在加工凸面边缘点的位置上不动，绕齿轮轴线旋转刀杆，直至与凸面发生接触，可确定凸面齿根刀轴极限位置，同理还可确定凹面齿根刀轴极限位置，取两极限位置的角度等分位置为刀轴方向；

粗加工时，球头铣刀沿齿高方向分层切削，在一个齿高分层中，刀具在凸面和凹面间做往复直线运动，编号为奇数的齿高分层，刀具从齿轮小端加工到大端，编号为偶数的齿高分层，刀具从齿轮大端加工到小端；

精加工时，球头铣刀沿齿长方向分层切削，在编号为奇数的齿长分层中，刀具依次加工凸面齿顶、凸面齿根、凹面齿根和凹面齿顶；在编号为偶数的齿长分层中，刀具依次加工凹面齿顶、凹面齿根、凸面齿根和凸面齿顶；

五、齿面加工参数计算：

依据粗加工刀路和刀轴方向，采用坐标空间变换方法,计算机床X、Y、Z轴的位移和A轴的转角；规定齿轮的轴向与机床的X轴同向，设在机床各轴运动零位时，球头铣刀的球心与齿轮坐标系原点重合，设在齿轮坐标系中粗加工刀路上任意一点P的坐标为，P点刀轴方向为，设A轴转角为，在机床坐标系中满足如下关系：

A轴的转角可由上式解出，加工时球头铣刀球心与P点重合，设X、Y、Z轴的位移为，在机床坐标中满足如下关系：

X、Y、Z轴的位移可由上式解出；X、Y、Z和A轴的加工参数和确定后，创建单个齿槽加工的数控代码；依据齿数对单个齿槽加工的数控代码进行旋转阵列，创建全部齿槽加工的数控代码；

六、齿面加工过程：

将圆柱毛坯通过卡盘安装在通用四轴数控机床的A轴上，并用尾座顶尖紧固；由于轮坯是旋转体，可采用Ｘ、Z和A轴联动进行轮坯铣削加工，轮坯粗加工采用沿径向分层铣削的模式，加工时需设置层高和粗切余量；然后在轮坯粗加工的基础上进行轮坯精加工，轮坯精加工完成后；将单个齿槽粗加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽加工；齿槽粗加工进度50%时，粗切加工出的齿面较粗糙，具有明显的齿长方向刀痕；将单个齿槽精加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽精加工；精加工进度50%时，精加工表面齿长方向刀痕消失，表面光滑；由球头铣刀加工出的齿面形状和铣刀盘加工出的齿面形状在共轭齿面部分是一致的；在过渡曲面部分，相比于铣刀盘，球头铣刀加工出的形状具有更大的曲率半径，可降低齿根处的应力集中程度，从而使齿轮具有更高的弯曲疲劳强度。